基于嵌入式Internet技术实现网络打印服务器系统的软硬件设计
随着信息技术的发展和网络时代的到来，基于tcp/ip协议的嵌入式internet技术越来越受到人们的关注。目前，大多数嵌入式设备仍处于孤立应用阶段，为了实现多个mcu之间的信息共享和交流，通常利用can、rs232和rs485等总线组网。但是这些网络的有效半径较短，并且孤立于internet网络以外，如果能把嵌入式设备直接接入internet，就可以用方便、低廉的方式实现信息的共享。因此，研究和应用嵌入式internet技术具有非常重要的意义。
传统的网络打印有两种方法：一种是采用“网络共享方式”，另一种是使用专用网络打印机。专用网络打印机成本很高，普通用户难以承受。若采用“网络共享方式”打印，网内必须有一台计算机来充当打印服务器，若这台计算机出现故障或关机，网内的其它计算机就无法打印，使用起来很不方便。嵌入式网络打印服务器解决了这个问题，使普通打印机不再是依附于主机的一外设，而成为网络中一个孤立的设备，使用起来更加灵活方便。本文在研究嵌入式internet技术的基础上，设计了基于tcp/ip协议的嵌入式网络打印服务器，普通打印机通过此嵌入式打印服务器可直接接在hub上，升级为一台“网络打印机”。客户端可在局域网内部实现网络打印，远端客户可通过网关实现远程打印。其具体结构如图1所示。
1 、系统总体结构
1.1 硬件电路
嵌入式打印服务器的硬件电路如图2所示。该电路主要包括以下四部分：①微处理器；②以太网控制器；③打印机接口电路；④串口通讯电路。
嵌入式打印服务器需要处理复杂的tcp/ip协议和以太网驱动程序，程序代码较长，但系统要求快速地处理以太网帧，顺利完成数据收发任务。基于以上考虑，微处理器采用***winbond公司的w77e58，此芯片内核与51系列兼容，内含32k flash rom，指令的执行速度很快，是普通51系列单片机的3～4倍，时钟频率最高可设置为40mhz。此芯片内含三个16位的定时/计数器，两个全双工串行口，一个软件可编程的看门狗定时器。采用软件看门狗技术，可用来提高本系统的抗干扰能力，防止程序跑飞。
网卡接口芯片采用性价比较高的全双工的rtl8019as。此芯片为10m isa以太网控制器芯片，为100个引脚pqfp封装，内部集成有16mb sram，与ne2000兼容，16位数据总线，可配置为8位dma方式进行数据传输，与8位单片机接口方便［2］。
图2 嵌入式网络打印服务器总体设计框图
另外，系统还扩展一片62256 ram和一片24c02 e2prom。ram的作用有两个：一是用来缓存从网卡芯片接收下来的数据帧，二是用作打印数据的缓冲和串口通讯数据的缓冲，以提高数据的吞吐率。24c02为串行e2prom，其容量为2kb，可通过i2c总线与单片机通信，其接口非常简单，只需要通过scl和sda两条线与单片机相连即可。其作用是用来存储上位机通过rs232串口下载下来的一些重要参数，如主机的ip地址、子网俺码、网关ip地址等。这里采用max232作为rs232的电平转换芯片，完成ttl电平到rs232电平的转换，实现上位pc机与单片机之间的通讯。
1.2 软件设计
软硬件开发工具分别选用keil c51编译器和伟福6000仿真器。程序主要包括以下四部分：①以太网驱动程序；②tcp/ip协议解析程序；③打印机接口程序；④串口通讯中断服务程序。图3为主程序流程图。
1.2.1 以太网驱动程序
首先对rtl8019as进行复位操作。复位操作有两种方法：冷复位和热复位。
（1） 冷复位
将w77e58的t0引脚接rtl8019as的复位端rstdrv进行复位操作，高电平有效。复位过程将执行一些基本操作，至少需要1μs的时间，推荐等待更久的时间如100ms之后才对它操作，以确保芯片完全复位。
（2） 热复位
直接将rst8019as的复位端rstdrv与单片机的reset引脚相连，单片机复位的时候，rst8019as也复位。rst8019as中地址为18h～1fh的寄存器端口均为复位端口。对以上端口俺数地址读或得写入任何数，都会使网卡芯片复位。
复位以后对rst8019as芯片中某些寄存器进行配置，确定其工作方式。配置好后，就可以开始接收或发送数据了。
接收数据包时，采用查询方式将查询程序放在一个大循环中，反复查询是否有新数据包到达，若有则接收下来。编程时应该特别注意的是：rst8019as接收到的数据包的帧格式与以太网帧格式并不一致［3］，rst8019as自动填加了接收状态、下一页指针、以太网帧长度三个字段（四个字节），其结构如表1所示。所以编程时需要按照此格式才能正确地接收数据。
表1 rtl8019as接收到的数据包的帧格式
1.2.2 tcp/ip协议解析程序
tcp/ip协议族实际上是许多相关协议的组合，分为不同的层次，每一层分别具有不同的通信功能。tcp/ip协议通常被认为是一个四层的协议系统，
包括链路层、网络层、传输层和应用层。在设计中，根据网络打印服务器的具体要求，对tcp协议进行了适当的裁剪，仅实现了图4所示的四个协议：arp、ip、icmp、tcp。
（1） 链路层协议
以太网上数据包的传输是采用网络的mac地址来进行识别的，这就要求系统能够实现ip地址到mac地址的转换，即arp（地址解析）协议。
（2） 网络层协议
网络层主要负责按网络标准形式封装数据包，然后进行ip路由选择。网络层协议包括ip（网际协议）、icmp（控制报文协议）和igmp（组管理协议）。ip协议使网络之间的通信成为可能，如果嵌入式internet需要跨越不同的网络进行通信，就必须实现ip协议，所以ip协议需要完整实现。ip包最大为65k，可以分段传输，但在嵌入式系统中根本无法容纳如此大的数据包，因此不支持分段传输。单片机一般采用发送小数据包的方式，以避免分段传输。
icmp协议主要用于传递差错报文以及其它需要注意的信息。icmp中规定了多种协议类型和代码，如果完全实现要浪费不少的系统资源，对于普通的嵌入式internet应用而言，能够测试网络的连接情况即可，因此只需实现icmp中类型号为0、代码为0的ping应答协议即可。
（3） 传输层协议
传输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。传输层有两种不同的传输协议：tcp（传输控制协议）和udp（用户数据包协议）。tcp是一种面向连接的协议，它能提供高可靠性服务。通过使用序列号和确认信息，tcp协议能够向发送方提供到达接收方的数据包的传送信息。udp协议没有保证可靠性的机制，其数据传输率高，可以实现全速发送数据包，但是容易丢包、失序。这里因为是打印服务，对数据的可靠性要求很高。所以必须采用tcp协议。
1.2.3 打印机接口程序
打印机接口有spp、epp和ecp三种标准［5］，其中epp和ecp的数据传输速度较快。spp为标准的并行接口标准，目前任何打印机都支持此接口标准，考虑到兼容性的问题，这里采用了spp接口标准。此接口程序比较简单，编程时可以采用查询方式不断检测打印机的工作状态（busy信号），若不忙则输出数据，发出数据选通脉冲（strobe），通知打印机取数据打印。
1.2.4 串口通讯程序
串口通讯程序是主要用来完成程序的调试以及嵌入式打印服务器的ip地址、网关和子网俺码等参数的修改。图5为嵌入式系统参数设置界面。
2 、测试结果
在此使用vb6.0编写相应的测试程序。实验证明，此测试程序可以动态地修改嵌入式打印服务器的ip地址等参数，能够顺利ping通，往返时间小于10ms，可以完成数据的打印任务。
为了程序调试方便，还编写了串口通讯程序，测试结果和数据可通过串口显示出来，也可以将输出数据保存到硬盘中仔细分析研究。图6为使用串口通讯程序截获的打印输出数据。
为了进一步研究，使用etherdetect packet sinffer软件截获了打印过程中通过网络传输的tcp数据，如图7所示。其中的52 54 4c 30 2e 2f为嵌入式打印服务器的mac地址，192.137.8.178为其ip地址。
本文介绍了嵌入式网络打印服务器的设计与实现，分析了其硬件结构和软件设计方法。网络打印服务器只是嵌入式以太网技术的一个具体应用，实际上嵌入式以太网技术还可以在远程控制、数据采集、视频监控等诸多领域大显身手，其应用前景相当广泛。当然，以太网技术也存在一些缺陷，例如其数据包的传输时延不定、受网络性能的影响较大等，现阶段还很应用到实时控制领域，这些问题需要在以后的研究中重要解决。
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1 、系统总体结构
1.1 硬件电路
嵌入式打印服务器的硬件电路如图2所示。该电路主要包括以下四部分：①微处理器；②以太网控制器；③打印机接口电路；④串口通讯电路。
嵌入式打印服务器需要处理复杂的tcp/ip协议和以太网驱动程序，程序代码较长，但系统要求快速地处理以太网帧，顺利完成数据收发任务。基于以上考虑，微处理器采用***winbond公司的w77e58，此芯片内核与51系列兼容，内含32k flash rom，指令的执行速度很快，是普通51系列单片机的3～4倍，时钟频率最高可设置为40mhz。此芯片内含三个16位的定时/计数器，两个全双工串行口，一个软件可编程的看门狗定时器。采用软件看门狗技术，可用来提高本系统的抗干扰能力，防止程序跑飞。
网卡接口芯片采用性价比较高的全双工的rtl8019as。此芯片为10m isa以太网控制器芯片，为100个引脚pqfp封装，内部集成有16mb sram，与ne2000兼容，16位数据总线，可配置为8位dma方式进行数据传输，与8位单片机接口方便［2］。
图2 嵌入式网络打印服务器总体设计框图
另外，系统还扩展一片62256 ram和一片24c02 e2prom。ram的作用有两个：一是用来缓存从网卡芯片接收下来的数据帧，二是用作打印数据的缓冲和串口通讯数据的缓冲，以提高数据的吞吐率。24c02为串行e2prom，其容量为2kb，可通过i2c总线与单片机通信，其接口非常简单，只需要通过scl和sda两条线与单片机相连即可。其作用是用来存储上位机通过rs232串口下载下来的一些重要参数，如主机的ip地址、子网俺码、网关ip地址等。这里采用max232作为rs232的电平转换芯片，完成ttl电平到rs232电平的转换，实现上位pc机与单片机之间的通讯。
1.2 软件设计
软硬件开发工具分别选用keil c51编译器和伟福6000仿真器。程序主要包括以下四部分：①以太网驱动程序；②tcp/ip协议解析程序；③打印机接口程序；④串口通讯中断服务程序。图3为主程序流程图。
1.2.1 以太网驱动程序
首先对rtl8019as进行复位操作。复位操作有两种方法：冷复位和热复位。
（1） 冷复位
将w77e58的t0引脚接rtl8019as的复位端rstdrv进行复位操作，高电平有效。复位过程将执行一些基本操作，至少需要1μs的时间，推荐等待更久的时间如100ms之后才对它操作，以确保芯片完全复位。
（2） 热复位
直接将rst8019as的复位端rstdrv与单片机的reset引脚相连，单片机复位的时候，rst8019as也复位。rst8019as中地址为18h～1fh的寄存器端口均为复位端口。对以上端口俺数地址读或得写入任何数，都会使网卡芯片复位。
复位以后对rst8019as芯片中某些寄存器进行配置，确定其工作方式。配置好后，就可以开始接收或发送数据了。
接收数据包时，采用查询方式将查询程序放在一个大循环中，反复查询是否有新数据包到达，若有则接收下来。编程时应该特别注意的是：rst8019as接收到的数据包的帧格式与以太网帧格式并不一致［3］，rst8019as自动填加了接收状态、下一页指针、以太网帧长度三个字段（四个字节），其结构如表1所示。所以编程时需要按照此格式才能正确地接收数据。
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1.2.2 tcp/ip协议解析程序
tcp/ip协议族实际上是许多相关协议的组合，分为不同的层次，每一层分别具有不同的通信功能。tcp/ip协议通常被认为是一个四层的协议系统，
包括链路层、网络层、传输层和应用层。在设计中，根据网络打印服务器的具体要求，对tcp协议进行了适当的裁剪，仅实现了图4所示的四个协议：arp、ip、icmp、tcp。
（1） 链路层协议
以太网上数据包的传输是采用网络的mac地址来进行识别的，这就要求系统能够实现ip地址到mac地址的转换，即arp（地址解析）协议。
（2） 网络层协议
网络层主要负责按网络标准形式封装数据包，然后进行ip路由选择。网络层协议包括ip（网际协议）、icmp（控制报文协议）和igmp（组管理协议）。ip协议使网络之间的通信成为可能，如果嵌入式internet需要跨越不同的网络进行通信，就必须实现ip协议，所以ip协议需要完整实现。ip包最大为65k，可以分段传输，但在嵌入式系统中根本无法容纳如此大的数据包，因此不支持分段传输。单片机一般采用发送小数据包的方式，以避免分段传输。
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（3） 传输层协议
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2 、测试结果
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本文介绍了嵌入式网络打印服务器的设计与实现，分析了其硬件结构和软件设计方法。网络打印服务器只是嵌入式以太网技术的一个具体应用，实际上嵌入式以太网技术还可以在远程控制、数据采集、视频监控等诸多领域大显身手，其应用前景相当广泛。当然，以太网技术也存在一些缺陷，例如其数据包的传输时延不定、受网络性能的影响较大等，现阶段还很应用到实时控制领域，这些问题需要在以后的研究中重要解决。
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